import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;

/**
 * 18. 四数之和
 * https://leetcode-cn.com/problems/4sum/
 */
public class Solutions_18 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] nums = {1, 0, -1, 0, -2, 2};
        int target = 0;  // output: {{-2, -1, 1, 2}, {-2, 0, 0, 2}, {-1, 0, 0, 1}}

//        int[] nums = {};
//        int target = 0;  // output: {}

        List<List<Integer>> result = fourSum(nums, target);
        System.out.println(result);
    }

    /**
     * 解题思路：双重 for 循环 + 双指针
     */
    public static List<List<Integer>> fourSum(int[] nums, int target) {
        List<List<Integer>> res = new ArrayList<>();
        if (nums == null || nums.length < 4) {
            return res;
        }
        int len = nums.length;
        Arrays.sort(nums);
        // 思路：固定 2 个数，双指针再找两个数
        // 第 1 位数开始移动
        for (int i = 0; i < len - 3; i++) {
            if (i > 0 && nums[i] == nums[i - 1]) {
                // 第 1 个数不能重复，避免出现重复的结果集
                continue;
            }
            if (nums[i] + nums[i + 1] + nums[i + 2] + nums[i + 3] > target) {
                // 剪枝：最小的 4 个数已经大于 target，无需再向后移动
                break;
            }
            if (nums[i] + nums[len - 1] + nums[len - 2] + nums[len - 3] < target) {
                // 剪枝：当前元素加最大的 3 个数，还小于 target，说明当前元素过小，需要向后移动
                continue;
            }
            // 第 2 位数开始移动
            for (int j = i + 1; j < len - 2; j++) {
                if (j > i + 1 && nums[j] == nums[j - 1]) {
                    // 第 2 个数不能重复，避免出现重复的结果集
                    continue;
                }
                if (nums[i] + nums[j] + nums[j + 1] + nums[j + 2] > target) {
                    // 剪枝：当前组合的 4 个数已经大于 target，无需再向后移动
                    break;
                }
                if (nums[i] + nums[j] + nums[len - 2] + nums[len - 1] < target) {
                    // 剪枝：nums[i]、nums[j] 加最大的 2 个数，还小于 target，说明当前元素过小
                    continue;
                }
                int diff = target - (nums[i] + nums[j]);
                int left = j + 1, right = len - 1;
                // 在 [left, right] 中，两数之和为 diff 的数，即第 3、第 4 位数
                while (left < right) {
                    int sum = nums[left] + nums[right];
                    if (sum > diff) {
                        right --;
                    } else if (sum < diff) {
                        left ++;
                    } else {
                        // 相等，加入到 list 中
                        List<Integer> list = Arrays.asList(nums[i], nums[j], nums[left], nums[right]);
                        res.add(list);
                        // 防止出现重复的结果集，排除相同元素
                        while (left < right && nums[left] == nums[left + 1]) {
                            left ++;
                        }
                        left ++;
                        while (left < right && nums[right] == nums[right - 1]) {
                            right --;
                        }
                        right --;
                    }
                }
            }
        }
        return res;
    }
}
